37 孔硝基胍發(fā)射藥單一裝藥和混合裝藥的燃燒性能

蔣 帥，劉 瓊，南風(fēng)強(qiáng)，尹記紅，堵 平

（1. 南京理工大學(xué)特種能源材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094；2. 遼寧慶陽特種化工有限公司，遼寧 遼陽 111002）

1 引言

在載荷和結(jié)構(gòu)一定的前提下，為了使火炮的初速更高、射程更遠(yuǎn)，就必須提高發(fā)射藥的能量，主要技術(shù)途徑就是采用高能發(fā)射藥和高裝填密度裝藥來提高發(fā)射藥的能量［1］。但隨著裝填密度的提高，火炮最大膛壓亦相應(yīng)地增加，因此，為確保最大膛壓未超過火炮能夠承受的最大范圍，必須進(jìn)一步提高發(fā)射裝藥的燃燒漸增性［2-3］。

如果發(fā)射裝藥在燃燒時(shí)，燃?xì)馍闪繒?huì)隨著燃燒時(shí)間的增長而增加，那么其燃燒就被稱為漸增性燃燒。為了提高發(fā)射裝藥的燃燒漸增性，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)提出了很多不同的技術(shù)，比如鈍感技術(shù)、多孔發(fā)射藥、包覆發(fā)射藥、混合裝藥等［4-6］。目前，世界上有報(bào)道的具有實(shí)用價(jià)值的超多孔發(fā)射藥是37孔。楊春海等［7］為降低低溫感裝藥中37 孔硝基胍發(fā)射藥（主裝藥）減面燃燒的副作用，使用一種具有較大表面張力的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為阻燃材料，采用涂刷法對(duì)37 孔硝基胍發(fā)射藥的端面進(jìn)行不堵孔包覆，結(jié)果表明，該技術(shù)明顯提高了37 孔硝基胍發(fā)射藥的燃燒漸增性。張麗娜［8］為進(jìn)一步提高37 孔硝基胍發(fā)射藥的燃燒漸增性，選用二氧化鈦?zhàn)鳛樽枞紕?，采用雙層包覆工藝對(duì)37 孔硝基胍發(fā)射藥進(jìn)行包覆，結(jié)果表明，內(nèi)、外包覆層含量均為5% 時(shí)包覆藥的燃燒漸增性最好，相對(duì)于未包覆的37 孔硝基胍發(fā)射藥，其燃燒增面值提高了43.53%。

混合裝藥屬于燃面和燃速結(jié)合的漸增性裝藥技術(shù)，同時(shí)擁有包覆發(fā)射藥和未包覆發(fā)射藥的優(yōu)點(diǎn)［9-10］。由于包覆多孔粒狀藥具有比多孔粒狀藥更高的燃燒漸增性，若采用二者以不同質(zhì)量比組合而成的混合裝藥，不僅可以提高裝填密度，亦可進(jìn)一步提高發(fā)射裝藥的燃燒漸增性，還能降低裝藥的彈道溫度系數(shù)，起到低溫感效果；此外，還可以通過調(diào)節(jié)二者的混合比例，使得漸增性得到進(jìn)一步提高。大口徑火炮裝藥一般采用大弧厚大粒多孔藥為主裝藥，通過混合一定比例的小粒包覆多孔藥來增加裝藥的燃燒漸增性［11］。韓博［12］將大弧厚37 孔硝基胍發(fā)射藥與19 孔不均等大弧厚硝基胍包覆藥以一定混合質(zhì)量比例組成混合裝藥，有效地提升了火炮初速和射程。

目前，尚未見國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道不同弧厚的37孔硝基胍發(fā)射藥的燃燒性能及其與19 孔硝基胍包覆藥以不同混合比例組合而成的混合裝藥的燃燒性能研究。根據(jù)某新型裝藥要求，本工作選用花邊形37 孔粒狀三胍-15 發(fā)射藥為主裝藥（MC）、花邊形19 孔粒狀三胍-15 包覆藥為輔助裝藥（B），通過定容密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，裝填密度為0.20 g·cm-3，在高溫（50 ℃）、常溫（20 ℃）、低溫（-40 ℃）條件下，研究弧厚對(duì)單一MC 燃燒性能的影響以及混合比例對(duì)混合裝藥（MC+B）燃燒性能的影響，為以后的火炮裝藥設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

三胍-15 吸收藥片，遼寧慶陽特種化工有限公司；棒狀硝基胍，遼寧慶陽特種化工有限公司；丙酮（AR），乙醇（AR），硫酸鉀（AR），南京化學(xué)試劑股份有限公司；TiO2（99.8% 100 nm 銳鈦礦型），上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

HiROXKH-1000型三維視頻顯微儀，美國科視達(dá)（中國）有限公司；超大屏電子數(shù)顯卡尺，量程0～200 mm，上海恒量量具有限公司；JB-90D 型數(shù)顯恒數(shù)攪拌機(jī)，湖南力辰科技有限公司；轉(zhuǎn)鼓包覆鍋，泰州市黎明制藥機(jī)械有限公司；AHX 安全型水浴烘箱，南京理工大學(xué)機(jī)電廠；QHL-1P-D 型可程式高低溫試驗(yàn)（防爆）箱，上海奇珊電子科技有限公司。

2.2 發(fā)射藥樣品制備

按照三胍-15 多孔發(fā)射藥的配方［12］，經(jīng)原料預(yù)處理、膠化捏合、壓伸、切藥、烘干等發(fā)射藥制備工序制得21/37H、23/37H、25/37H、27/37H、23/19H 三胍-15 發(fā)射藥，然后采用雙層包覆工藝對(duì)23/19H 發(fā)射藥表面用含TiO2的阻燃材料進(jìn)行包覆處理，制得23/19HB11 包覆藥，其中包覆層質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為11%，包覆層中TiO2含量為30%。

花邊37 孔發(fā)射藥三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，每種發(fā)射藥挑選25 粒，利用三維視頻顯微儀、電子數(shù)顯卡尺測量藥粒尺寸。

其中弧厚2e1指相鄰兩內(nèi)孔鄰近外弧之間的水平距離，長度l 指藥粒的長度，孔徑d 指內(nèi)孔的直徑，外徑D 指7 個(gè)內(nèi)孔所在中心線最外側(cè)兩外弧之間的水平距離，測量結(jié)果取平均值，見表1。

圖1 花邊37 孔發(fā)射藥三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of three-dimensional structure of lace-shaped 37-hole propellant

表1 4 種37 孔硝基胍發(fā)射藥和一種19 孔硝基胍包覆藥的藥粒尺寸Table 1 Particle size of four 37-hole nitroguanidine propellants and one 19-hole nitroguanidine coated propellants

2.3 定容密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)

按照GJB 770B-2005 火藥試驗(yàn)方法703.1，實(shí)驗(yàn)溫度為高溫（50 ℃）、常溫（20 ℃）、低溫（-40 ℃），實(shí)驗(yàn)前將待測試樣品在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)保溫8 h以上。密閉爆發(fā)器本體容積為700.00 cm3，裝填密度為0.20 g·cm-3，點(diǎn)火藥為（7±0.001）g的2#硝化棉，點(diǎn)火壓力為10.16 MPa。

將實(shí)驗(yàn)所測得的壓力-時(shí)間（p-t）曲線進(jìn)行處理后可得到動(dòng)態(tài)燃燒活度-燃燒相對(duì)壓力（L-B）曲線：

式中，p為密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)壓力，MPa；L為動(dòng)態(tài)燃燒活度，MPa-1·s-1；pm為實(shí)驗(yàn)最大壓力，MPa；B為燃燒相對(duì)壓力。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同弧厚單一主裝藥的定容燃燒結(jié)果

在高溫（50 ℃）、常溫（20 ℃）、低溫（-40 ℃）下，21/37H、23/37H、25/37H、27/37H 單一主裝藥定容燃燒的壓力-時(shí)間（p-t）曲線、動(dòng)態(tài)燃燒活度-燃燒相對(duì)壓力（L-B）曲線如圖2 所示。

圖2 3 種溫度下單一主裝藥的p-t 和L-B 曲線Fig.2 The p-t and L-B curves of single main charge at three temperatures

由圖2a、圖2b、圖2c 可以得出3 種溫度下4 種不同弧厚單一主裝藥的燃燒時(shí)間，結(jié)果見表2。

由表2 可以看出，溫度越高，同一弧厚37 孔硝基胍發(fā)射藥的燃燒時(shí)間越短，符合火藥燃速隨溫度下降而降低的規(guī)律。在相同溫度條件下，不同弧厚發(fā)射藥的p-t 曲線之間有明顯差距，弧厚越大的37 孔硝基胍發(fā)射藥，燃燒時(shí)間越長，說明火藥燃速隨弧厚增加而降低。

由圖2d、圖2e、圖2f 可以看出，單一主裝藥的燃燒活度先快速上升，出現(xiàn)了燃燒尖峰，隨著燃燒的進(jìn)行，活度變化表現(xiàn)為先下降后上升，表明發(fā)射藥燃燒初期發(fā)生了明顯的侵蝕燃燒現(xiàn)象［13］；隨溫度降低，同一弧厚發(fā)射藥起始燃燒活度越小，侵蝕燃燒現(xiàn)象越明顯，L-B 曲線的變化趨勢越平緩。在相同溫度條件下，不同弧厚發(fā)射藥的L-B 曲線之間有明顯差距，弧厚越大的37 孔硝基胍發(fā)射藥，其L-B 曲線越低，起始燃燒活度越小，侵蝕燃燒現(xiàn)象越不明顯。

表2 3 種溫度下4 種不同弧厚單一主裝藥的燃燒時(shí)間Table 2 Burning times of single main charge with four different arc thickness at three temperatures

藥粒燃燒增面性（ΔL）和漸增性燃燒特征值（Lm/L0）可以作為判定發(fā)射藥燃燒漸增性強(qiáng)弱的依據(jù)，即ΔL 和Lm/L0值越大，燃燒漸增性就越強(qiáng)［14］。不同弧厚的37 孔單一主裝藥在高、常、低溫下的燃燒漸增性特征點(diǎn)見表3。

表3 21/37H、23/37H、25/37H、27/37H 發(fā)射藥的燃燒漸增性特征點(diǎn)Table 3 Characteristic points of combustion increasement of 21/37H，23/37H，25/37H，27/37H propellants

從表3 和圖2 可以看出，溫度越高，任一弧厚單一主裝藥的ΔL、Lm/L0都越大，燃燒漸增性越強(qiáng)。在相同溫度條件下，弧厚越大的單一主裝藥，其ΔL、Lm/L0都越大，燃燒漸增性越強(qiáng)。

3.2 不同混合比例的混合裝藥定容燃燒結(jié)果

在高溫（50 ℃）、常溫（20 ℃）、低溫（-40 ℃）下，23/37H 單 一 主 裝 藥（MC：B=10∶0）、23/37H+23/19HB11 混合裝藥（MC∶B=8∶2、7∶3）、23/19HB 單一包覆藥（MC∶B=0∶10）定容燃燒的L-B曲線如圖3所示。

由圖3 可以看出，相同溫度下，混合裝藥的起始燃燒活度比單一包覆藥大，隨著主裝藥比例的增加，起始燃燒活度變大，單一主裝藥的L-B 曲線在起始階段出現(xiàn)了明顯的侵蝕燃燒峰，加入包覆藥組成混合裝藥后，侵蝕燃燒峰明顯減小，這是因?yàn)榘菜幍陌矊颖砻孀枞?，降低了包覆藥起始燃速，又由于包覆層的堵孔作用，初期?nèi)孔不燃燒，消除了起始侵蝕燃燒現(xiàn)象。隨著混合裝藥中包覆藥的比例增加，侵蝕燃燒峰逐漸減小，說明包覆藥有明顯降低起始侵蝕燃燒尖峰的效果。不同混合比例的23/37H+23/19HB11 混合裝藥在高、常、低溫下的燃燒漸增性特征點(diǎn)見表4。

圖3 3 種溫度下不同混合比例的混合裝藥的L-B 曲線Fig. 3 L-B curves of mixed charges with different mixing mass ratios at three temperatures

由表4 和圖3 可以看出，溫度越高，相同混合比例的混合裝藥ΔL、Lm/L0值越大，燃燒漸增性越好。相同溫度下，混合裝藥燃燒漸增性均強(qiáng)于單一主裝藥，這是因?yàn)榘菜幹鸷?，隨著包覆層的破裂和逐漸燃盡，內(nèi)孔開始燃燒，燃面增大，從而明顯地提高了混合裝藥的燃燒漸增性。

比較表4 數(shù)據(jù)可知，高、常、低溫下，與單一主裝藥（10∶0）相比，混合裝藥（8∶2）的ΔL、Lm/L0值分別提高8.76%＜26.54%＜83.65%，2.15%＜4.37%＜4.60%，混 合 裝 藥（7∶3）的ΔL、Lm/L0值 分 別 提 高8.54%＜22.40%＜154.40%，2.56%＜4.13%＜8.92%。表明：高、常溫下，與單一主裝藥（10∶0）相比，混合裝藥（8∶2、7∶3）的ΔL、Lm/L0值提高的幅度相差不大，但低溫下提高的幅度最大，這是因?yàn)榈蜏叵掳菜幍陌矊訌?qiáng)度較差［15］，在較小壓力下就能破孔，比常、高溫更早地參與燃燒，使?jié)u增性提高得更多。

混合比例對(duì)混合裝藥燃燒漸增性產(chǎn)生影響，合適的混合比例是混合裝藥獲得良好漸增性的保證，在裝填密度為0.20 g·cm-3條件下，與混合裝藥（8∶2）相比，高、常、低溫下混合裝藥（7∶3）的Lm/L0值分別提高0.40%，-0.24%和4.13%，因此，高、常、低溫下，混合裝藥獲得較佳燃燒漸增性的混合比例均為7∶3。

表4 不同混合比例的23/37H+23/19HB11 混合裝藥的燃燒漸增性特征點(diǎn)Table 4 Characteristic points of combustion increasement of 23/37H+23/19HB11 mixed charge with different mass ratios

4 結(jié)論

（1）在相同實(shí)驗(yàn)條件下，隨溫度降低，同一弧厚37孔單一主裝藥的侵蝕燃燒現(xiàn)象越明顯，燃燒漸增性越弱；相同溫度下，弧厚越大的37 孔單一主裝藥，其侵蝕燃燒現(xiàn)象越不明顯，燃燒漸增性越強(qiáng)。

（2）混合比例對(duì)混合裝藥的燃燒產(chǎn)生影響，在相同溫度下，混合裝藥中的包覆藥有明顯降低起始侵蝕燃燒尖峰的效果，且隨著包覆藥的比例增加，侵蝕燃燒峰逐漸減小。

（3）包覆藥的加入明顯地提高了混合裝藥的漸增性，合適的混合比例是混合裝藥獲得良好漸增性的保證。溫度越高，同一混合比例的混合裝藥ΔL、Lm/L0值越大，燃燒漸增性越好；相同溫度下，混合裝藥的燃燒漸增性均強(qiáng)于單一主裝藥，高、常、低溫下，混合裝藥獲得較佳燃燒漸增性的混合比例均為7∶3。